基于Arduino 的環(huán)境智能檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伍懿美，周旭華，林柏烽

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源，517000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷地發(fā)展，大量有害物質(zhì)排放空氣環(huán)境中，環(huán)境方面對(duì)我們所造成的健康影響是悄無聲息。我們對(duì)環(huán)境周圍的情況一無所知，對(duì)身體有不利的影響日益增加。環(huán)境智能監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境感知、自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)和自動(dòng)上傳手機(jī)等功能，環(huán)境智能監(jiān)測裝置能在自然環(huán)境中下自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，用于告訴我們環(huán)境的情況。環(huán)境質(zhì)量掌握的同時(shí)，環(huán)保部門能夠及時(shí)觀測到實(shí)時(shí)信息，從而做出對(duì)環(huán)境的治理，人們生活環(huán)境的質(zhì)量也會(huì)得到提高和改善，對(duì)于人們的健康具有非常重要的意義[1]。

1 自動(dòng)跟隨四驅(qū)小車的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境智能監(jiān)測裝置是基于Arduino UNO 的環(huán)境監(jiān)測器，該監(jiān)測裝置由7個(gè)模塊組成：Arduino UNO開發(fā)板、MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器、PM2.5 粉塵傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、ESP8266-01 01sWiFi 模塊、LCD12864 液晶顯示器和GY 30-302 數(shù)字光強(qiáng)度光照傳感器BH750FVI 模塊。Arduino 作為核心控件，采集傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸?shù)絃CD 液晶顯示器，同時(shí)再通過WiFi 模塊發(fā)送手機(jī)上顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境智能監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計(jì)包括Arduino UNO開發(fā)板、LCD12864 液晶顯示屏、電源、MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器、PM2.5 粉塵傳感器、DTH11 溫濕度傳感器、ESP8266-01 01sWiFi 模塊、GY 30-302 數(shù)字光強(qiáng)度光照傳感器等設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖如圖2 所示[3]。

■2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件模塊主要有電源模塊、DTH11 溫濕度模塊、PM2.5 粉塵傳感器模塊、GY-30 302 光照傳感器模塊、 MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器、LCD12864 液晶顯示器，以及網(wǎng)絡(luò)模塊，所需的主要硬件材料如表1 所示。

表1 硬件材料

2.2.1 電源模塊

環(huán)境智能監(jiān)測裝置正常的運(yùn)行離不開電源，電源在硬件系統(tǒng)中必不可少的。本設(shè)計(jì)的每一個(gè)硬件系統(tǒng)的電壓基本一致，因此可以從Arduino UNO 直接供電、但是由于一個(gè)Arduino UNO 引腳和接線口不夠，同時(shí)供電能力不足，所以可以采用兩個(gè)Arduino UNO 供電，故分為Arduino UNO 1 和Arduino UNO 2 。電源模塊的電路接線圖如圖3 所示。

圖3 電源模塊接線原理圖

2.2.2 WiFi 模塊電路模塊

WiFi 模塊射頻芯片ESP8266EX，載波頻率2.4G，通信距離1000MM，天線運(yùn)用pcb 板載天線。用戶配置AT+指令集，云端給服務(wù)器，Android app，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPV4，TPC/UDO/HTTP/FTP/,安全機(jī)制WPA/WPA2，工作溫度-40℃~125℃之間。使用前要進(jìn)行燒錄，使用USB TO TLL轉(zhuǎn)串口模塊燒，下載庫編好代碼進(jìn)行燒錄過程中接線引腳除了GPIO16，GPIO0 不用接線，其他燒錄時(shí)要接線。GPIO2 接地，燒錄下載完了GPIO2 接線時(shí)也拔了，工作時(shí)使用五個(gè)引腳接線。由于USB 轉(zhuǎn)串口模塊的接線引腳不夠故加上Arduino UNO 來完成WiFi模塊的燒錄下載。接線原理圖如圖4 所示。

圖4 WiFi 模塊燒錄的接線原理圖

2.2.3 DTH11 溫濕度模塊

此模塊是電阻式的濕敏元件與NTC測溫元件組合形成。具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器信息并通過杜邦線并反饋到Arduino 上。溫濕度模塊測量范圍：濕度在20%~90%，誤差+-5%、溫度在0℃~50℃，誤差+-2%左右。

2.2.4 GY-30 302 光照傳感器模塊

GY-30 302 光照傳感器模塊具有傳感器內(nèi)置16bitAD 轉(zhuǎn)換器原裝BH 1750 FVI芯片，直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的運(yùn)算，不區(qū)分環(huán)境光源接近視覺靈敏度分光的特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 勒克斯的高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，范圍在0~65535。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要是由Arduino UNO1 實(shí)現(xiàn)，軟件整體設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件整體設(shè)計(jì)流程圖

USB TO TTL 轉(zhuǎn)串口模塊、ArduinoUNO、WiFi 模塊組成，主要由轉(zhuǎn)串口模塊下載燒錄WiFi 模塊程序、arduino UNO 開發(fā)板作為額外接線用的。首先在Arduino 軟件上下載庫文件，Blinker 庫，然后安裝Arduino 軟件庫用轉(zhuǎn)串口模塊通過USB 接線口在電腦燒錄，實(shí)現(xiàn)ESP8266-01WiFi模塊的通信[4~5]。部分源代碼如圖6 所示。

圖6 WiFi 模塊部分源代碼

4 測試

環(huán)境智能監(jiān)測裝置樣機(jī)制作完成后，將筆記本電腦通過USB 線或者無線網(wǎng)絡(luò)連接到Arduino UNO 1 板，并進(jìn)行編程。下載手機(jī)軟件點(diǎn)燈·blinker，點(diǎn)擊新的設(shè)備，查看新的設(shè)備給出的識(shí)別碼和密碼。將密鑰、手機(jī)熱點(diǎn)名字和密碼寫進(jìn)WiFi 模塊的代碼里面用于燒錄WiFi 模塊。打開手機(jī)熱點(diǎn)，熱點(diǎn)密碼輸入為WiFi 模塊代碼所設(shè)定的數(shù)字。測試的時(shí)候，將兩根Arduino usb 數(shù)據(jù)線接到電源接線口，接上電源，然后察看LCD 顯示器上的數(shù)據(jù)，溫濕度模塊保存的數(shù)據(jù)，得出環(huán)境溫濕度情況，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)得到環(huán)境質(zhì)量。使用光照調(diào)節(jié)光強(qiáng)度可以觀察到顯示器數(shù)值的變化情況，同理可以使用其他模塊所對(duì)應(yīng)的檢測物質(zhì)檢測數(shù)值變化情況，比如打火機(jī)有可以檢測的氣體甲烷類的化合物此時(shí)的空氣質(zhì)量模塊的數(shù)值升高，同時(shí)觀察通過物聯(lián)網(wǎng)和WiFi模塊上傳到手機(jī)在軟件點(diǎn)燈bliker 遠(yuǎn)程觀察結(jié)果。測試環(huán)境圖如圖7 所示。

圖7 環(huán)境測試圖

通過測試，環(huán)境智能監(jiān)測裝置能夠正常工作監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量各個(gè)方面的情況，同時(shí)上傳手機(jī)軟件監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)。打開熱點(diǎn)，輸入WiFi 模塊燒錄時(shí)密鑰，然后輸入密碼。可以連接到手機(jī)，然后看到設(shè)備顯示在線同時(shí)點(diǎn)燈blinker 時(shí)刻更新數(shù)據(jù)。手機(jī)監(jiān)視測試圖如圖8 所示。

圖8 手機(jī)監(jiān)視圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)境智能監(jiān)測裝置，該裝置以Arduino為核心，通過Arduino 板、MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器、PM2.5 粉塵傳感器、DTH11 溫濕度傳感器、ESP8266-01 01sWiFi 模塊、LCD12864 液晶顯示器和GY 30-302 數(shù)字光強(qiáng)度光照傳感器BH750FVI 模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境質(zhì)量智能監(jiān)測的效果，在遠(yuǎn)程能得到監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)論從而達(dá)到提高人們生活環(huán)境的質(zhì)量。